Fortschritte in der Siebtechnik im Bergbausektor

1‌ Einleitung

Im Bergbausektor kommen verschiedene Klassierverfahren zum Einsatz. Die beiden wichtigsten Verfahren zur Abtrennung bestimmter Korngrößen sind die Hydrozyklon- und Siebtechnologie. Mit Hydrozyklonen werden eher Anforderungen bei feinen Trennschnitten erfüllt, während die Siebtechnik den Bereich darüber abdeckt. Doch diese Konvention scheint nicht mehr gültig. Die Feinsiebtechnik dringt in immer feinere Bereiche vor, ersetzt Hydrozyklone und macht Anlagen leistungsfähiger und wirtschaftlicher. Dies ist der allgemein niedrigen Trennschärfe von Hydrozyklonen geschuldet. Bei Hydrozyklonen wird der Trenn- und Klassiereffekt durch ein Zusammenspiel der Zen­trifugalkräfte (bis 1000 g) und Strömungskräfte ausgelöst. Feinkorn wird mit dem Grobkorn in einem Anteil entsprechend dem Volumenstromverhältnis zwischen Ober- und Unterlauf ausgeschieden. Teilweise werden weniger als 50 % Effizienz erreicht.

Die Zusammenhänge der Korngrößentrennung werden in Bild 1 schematisch dargestellt. Das Aufgabegut q_A wird in dem Beispiel in Grobgut g·q_G und Feingut f·q_F getrennt. Im Idealfall der Trennung würden sich die Verteilungsdichtekurven von Grob- und Feingut nicht überschneiden, aber bei einer realen Trennung überschneiden sie sich. Im Überschneidungsbereich findet man das Fehlkorn. Fehlkorn auf der Grobgutseite wird als Unterkorn, das auf der Feinkornseite als Überkorn bezeichnet. Für jeden Punkt auf der z-Achse des Verteilungsdiagramms lässt sich ein Trenngrad bestimmen. Dieser Trenngrad kennzeichnet den Anteil der betrachteten Fraktion des Aufgabeguts, der in das Grobgut gelangt. Der Verlauf des Trenngrads in Abhängigkeit vom Feinheitsmerkmal ist eine S-förmige Kurve. Je steiler die Kurve ist, umso größer ist die Trennschärfe.

Wenn man nun bei Hydrozyklonen oder Siebmaschinen aufgrund einer niedrigen Trennschärfe davon spricht, der Apparat oder die Maschine wäre nur zu 70 – 80 % effizient, bedeutet das, dass 20 – 30 % des Grobgutes in das Feingut gelangt, bzw. 20 – 30 % des Feingutes noch einmal in die vorherige Prozessstufe (Vermahlung oder Brechprozess) zurückgeführt wird. Dies hat eine Erhöhung der Umlaufmengen zur Folge und bedeutet eine deutliche Verschlechterung des spezifischen Energieaufwandes für die Zerkleinerung. Bild 2 verdeutlicht die Zusammenhänge für eine Siebklassierung. Die Umlaufmengen sind dabei nicht nur von der Siebeffizienz, sondern auch von dem produzierten Überkorn der Mühle abhängig. Bei 100 % Siebeffizienz und 35 % Überkorn der Mühle beträgt die Umlaufmenge schon das 1,54-fache. Bei 70 % Siebeffizienz steigt dieser Wert auf die 2-fache Umlaufmenge.

2 Wachsende Anforderungen an Siebmaschinen

Siebmaschinen wurden lange Zeit von den Anlagenbetreibern vernachlässigt bzw. als weniger wichtig im Vergleich zu den Mahlanlagen angesehen. Hauptsächlich sollten Siebmaschinen robust, verschleißarm und wartungsfreundlich sein. Deshalb haben sich nahezu alle Maschinenanbieter in den vergangenen Jahrzehnten auf diese Haupteigenschaften in der Entwicklung solcher Maschinen konzentriert. Doch inzwischen ist ein Wandel eingetreten [1]. Einerseits hat dies mit den Siebmaschinen selbst und den unterschiedlichen Bautypen und Wirkprinzipien der Maschinen bzw. deren Eignung für spezifische Anwendungen zu tun, andererseits haben erforderliche Durchsatzsteigerungen und Optimierungen der Mahl- und Siebkreisläufe ein Umdenken bewirkt.

Die wesentlichen Siebapplikationen im Bergbausektor betreffen Primär- und Sekundär-Brechanlagen (Bild 3), die Grobsiebung (Scalping) bei der Pre-heap-Laugung, die Feinabsiebung und Feinkornabschlämmung in verschiedenen Prozessstufen, die Anreicherung von Wertmaterialien wie z.B. den Eisengehalt im Eisenerz, Mahl- und Siebkreisläufe (offen und geschlossen) sowie Siebe in DMS-Kreisläufen (DMS = Dense Media Separation). Ein weiteres wachsendes Feld sind Waschanwendungen, da die Erzqualitäten weltweit abnehmen. Die dabei auftretende Vielfalt der Anforderungen von sehr feinen bis zu sehr groben Trennschnitten können nur durch unterschiedliche Siebsys­teme abgedeckt werden. In vielen Anwendungen werden unterschiedliche Siebmaschinen miteinander kombiniert, um den wachsenden Anforderungen besser gerecht zu werden.

Die verbreitetsten Siebmaschinen in der Bergbauindustrie sind Siebe mit Linearschwingung und Siebe mit Kreisschwingung. Bei Linearschwingsieben (Bild 4) wird das gesamte Siebaggregat durch Richterreger, Doppelwellen- oder Unwuchtmotor­antriebe zu einer Linearschwingung angeregt. Die Maschinen werden je nach Applikation als Ein- oder Mehrdeck-Siebmaschinen ausgeführt, wobei alle verfügbaren Siebbeläge von Drahtgeweben, Pressschweißgitter, Kunststoff- oder Gummibelägen Verwendung finden. Linearschwingsiebe werden mit Siebbreiten bis über 5 m und Sieblängen von über 12 m ausgeführt. Eine Sonderbauart der Linearschwinger aber auch der Kreisschwinger sind die sogenannten Bananensiebe (Bild 5). Diese Siebe besitzen meist mehrere hintereinandergeschaltete Siebneigungen, um die Siebeffizienz durch eine schnelle Absiebung der Feinanteile zu verbessern.

Der häufigste Antrieb bei Kreisschwingsieben ist die Exzenterwellenkonstruktion (Bild 6). Der Antrieb durch die Exzenterwelle sorgt für einen konstanten Schwingkreis, was insbesondere bei Lastspitzen und klebrigem Material von Vorteil ist. Somit werden mit dieser Siebmaschine Anforderungen an eine ­erhöhte Produktivität, definierte Fehlkornanteile und maximierte Gutkornausbeute bei den Einsatzbedingungen erfüllt. Exzenterwellensiebe sind im Bergbausektor mit Siebbreiten von über 3 m und Sieblängen von über 8 m als Eindecker oder Mehrdecker im Einsatz. Die Neigungen der Siebfläche liegen in der Regel zwischen 10 ° und 30 °. Unterschiedlichste Siebbe­läge können verwendet werden. Neben der Exzenterwellenkonstruktion werden Kreisschwingsiebe bzw. Ellipsenschwingsiebe auch als Freischwinger mit konzentrischer Antriebswelle oder als Hochfrequenzsiebmaschinen mit schwingenden Siebrahmen verwendet.

Um sehr große angeregte Massen zu vermeiden, die bei ­großen Doppeldeck-Linearschwingsieben über 70 t bei Gesamtgewichten bis zu 120 t betragen können, wurden direkt angetriebene Siebmaschinen entwickelt, bei denen einzig das Siebgewebe in Schwingung versetzt wird. Vereinfacht kann man davon ausgehen, dass eine solche Siebmaschine nur die Hälfte des Energieaufwandes einer konventionellen Sieb­maschine benötigt [2]. Allerdings sind bisher nur wenige ­solche Maschinen im Bergbau bzw. verwandten Gebieten zum Einsatz gekommen. Eine andere wichtige und bereits vielfältig erprobte Entwicklung sind Fein- bzw. Feinstsiebe. Das Non-plus Ultra sind derzeit Mehrdeck-Hochfrequenzsiebe (Bild 7), die zumeist mit PU-Siebbelägen mit relativ großer offener Siebfläche selbst im Maschenweitenbereich von kleiner 45 μm bestückt sind.

3 Siebmaschinen für Eisenerz und Kohle

Die Brech- und Siebsysteme für die Eisenerzaufbereitung sind sehr unterschiedlich, je nachdem ob es sich um Vorkommen aus Magnetit oder Hämatit handelt. Während Magnetit mit guter Qualität heute im Trockenverfahren aufbereitet wird, ist für Hämatit aus Vorkommen unterhalb der Wasserlinie infolge von backenden Verunreinigungen durch Quarz und Ton eine Nassaufbereitung erforderlich. Die Feinheitsanforderungen richten sich danach, welches Verfahren für die Aufkonzentrierung der Eisengehalte angewendet werden kann und bei welcher Feinheit Gang- und Wertmaterial getrennt werden können. Bei ­Hämatiterzen kann es genügen, nur bis zu 25 mm zu zerkleinern, während Magnetiterze für die Freisetzung des Gangmaterials Feinheiten unter 2 mm erfordern [3]. Aus Energiegründen wird nur soweit vermahlen, wie erforderlich ist und deshalb erfolgt die Erzaufbereitung in eine Grob- und eine Feinfraktion.

Bild 8 zeigt ein modernes Aufbereitungsfließbild für Hämatiterz. Es handelt sich dabei um das Roy Hill Projekt in der Pilbara Region in Australien, an dem Hancock Prospecting Pty Ltd 70 % Anteil hat. Weitere Anteile werden von Marubeni, POSCO und China Steel gehalten. Die Anlage wurde für 55 Millionen Jahrestonnen (Mta) Leistung konzipiert. Der größte Teil des geförderten Hämatit-Eisenerzes ist im Wesentlichen mit Tonbestandteilen verunreinigt und erfordert deshalb eine Nassaufbereitung mit drei Zerkleinerungsstufen. Insgesamt existieren 6 parallele Linien, um Erzmengen von 9500 t/h zu verarbeiten: Siebeinrichtungen sind nach dem Primärbrecher, nach dem Wäscher und nach der Tertiären Zerkleinerung eingerichtet, um das Eisenerz in eine trockene Grobfraktion (8 – 40 mm) und nasse Feinfraktion (> 1 – < 8 mm) zu trennen. Die Fraktion < 1 mm durchläuft eine weitere Reinigungsstufe.

Aufbereitungsanlagen wie die von Roy Hill zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Siebeinrichtungen aus. So kommen dort allein 16 Bananensiebe zum Einsatz. Bild 9 zeigt eine Eisenerzaufbereitung des Unternehmens Vale in der Carajás Mine für 40 Mta. Dargestellt sind parallele Linearschwingsiebe zur Sekundärabsiebung. Die Aufgabekörnung liegt bei 0 – 200 mm, die Trennkorngröße liegt bei etwa 10 mm, was einer konventionellen Aufgabenstellung entspricht. Weniger konventionell ist derzeit noch die Aufbereitung der Tailings in der Eisenerzaufbereitung. Bei der Anlage von Roy Hill kommen 5 „Up-current“-Module (UCC) mit Spiralklassierern zum Einsatz. In heutigen Anlagen werden zunehmend neue Klassierer verwendet, wie beispielsweise die REFLUX-Technologie von FLSmidth. Diese erlaubt hohe Abscheidegrade in Fraktionen von 0 – 150 μm und FE-Anreicherungsgrade von 60 %.

Die Kohleaufbereitung hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich gewandelt. Insbesondere wird Kesselkohle in den großen Kohleminen zunehmend im Tagebau und durch sogenanntes Surface Mining und nicht mehr so sehr im Untertagebau gewonnen. Kohle in Tiefen bis zu 90 m wird heute nach Möglichkeit im Tagebau gefördert. Schätzungen gehen davon aus, dass ca. 40 % der weltweiten Kohleförderung im Tagebau und 60 % im Untertagebau erfolgt. Dies bedeutet aber meist auch, dass aschereichere Kohlen abgebaut werden und dass die Feinkohleaufbereitung mehr in den Blickpunkt gerückt ist. Aber auch die Anforderungen an Hüttenkohle (Bild 10) sind gestiegen. Bezüglich der Siebtechnik sind in erster Linie Konsequenzen in Richtung größerer Massenströme und der Verarbeitung von erdfeuchter Kohle mit 0 – 8 % Wassergehalt, sowie Verschiebungen zu feineren Trennschnitten zu nennen.

In einer Kohleaufbereitungsanlage kommen teilweise 50 und mehr unterschiedliche Siebe zum Einsatz. Ein Großteil davon betrifft Entwässerungssiebe. Zu den klassischen Siebmaschinen zählen Exzenter-Schwingsiebe, die entweder als Vorabscheider oder zur Absiebung von grobstückigen und siebschwierigen Kohlen verwendet werden. Derartige Siebmaschinen arbeiten mit einem lastunabhängigen, konstanten Schwingkreis, um Materialanbackungen und einer Verstopfung der Siebme­dien entgegen zu wirken. Eine Besonderheit zur Aufbereitung siebschwieriger Kohlen sind Spannwellensiebe (Bild 11). Dabei werden die Siebmatten herstellerabhängig durch unterschiedliche Mechanismen gespannt und entspannt, womit zusätz­liche Impulse mit Beschleunigungswerten bis zu 50 g erzeugt ­werden. Das Ergebnis ist eine höhere Betriebssicherheit, so dass Probleme durch Verstopfen und Klemmkorn vermieden werden.

Infolge der „Clean Coal“-Diskussion liegen Kohlewasch­anlagen im Trend. Unter einer Kohlehandling- und Aufbereitungsanlage (Coal Processing Plant = CPP oder CHPP) wird heute zumeist eine Kohlewaschanlage (Bild 12) verstanden. Da die Prozesse in einer solchen Anlage weitgehend vergleichbar sind, werden immer mehr standardisierte Anlagen (MCPP, M = Modular) ausgeführt. Siebeinrichtungen dienen dabei zur Klassierung der Kornfraktionen und zur Entwässerung. Während Grobkohle relativ einfach mit Betriebskosten von 1,5 – 2,5 US$/t aufbereitet werden kann, benötigen Wasch­anlagen für Feinkohle (< 0,5 mm) ein aufwändigeres Equipment für die Entwässerung und Entfeuchtung und erfordern Betriebskosten von über 5 US$/t [4].

Eine interessante Alternative für die Rohkohleaufgabe in CHPP-Anlagen vor den Schlämmsieben sind die Rollenroste (Bild 13) von ABON/FLSmidth, die eine Klassier- und Zerkleinerungsfunktion bieten.

4 Siebmaschinen für Metallerze

Die Siebanforderungen bei der Aufbereitung von Metall­erzen wie Kupfer, Zink, Mangan usw. nach dem Primärbrechen können als ein Mix der Anforderungen gesehen werden, wie sie bei der Aufbereitung von Eisenerz und Kohle verkommen. Bei dem Sekundärbrechen können sich die Anforderungen aber bereits deutlich mehr in den Feinbereich verschieben. Bild 14 zeigt die Siebeinrichtungen für eine Kupfererzaufbereitung des Bergbauunternehmens Vale in der Mine Solobo, die jährlich 24 Mta Erz verarbeitet. Entscheidend ist, dass dort für die Sekundärzerkleinerung Hochdruck-Rollenpressen (HPGR) eingesetzt werden, die bereits einen hohen Feinanteil erzeugen, wobei das Unterkorn als Aufgabegut für die Tertiärzerkleinerung mit Kugelmühlen dient, während das Überkorn zu den HPGRs zurückgeführt wird. Bei dem Beispiel der Solobo Mine von Vale erfolgt die Klassierung nach der Tertiärvermahlung vor Aufgabe in die Flotationsstufen durch Hydrozyklone (Bild 15).

Ähnlich ist die Situation bei den Mahl- und Klassierkreisläufen für Edelmetalle wie Gold, Silber und Platinmetalle (PGM). Eine hohe Bedeutung haben deshalb die Mahl- und Siebkreisläufe (Bild 16). Bisher galten Hydrozyklone als das Non-Plus-Ultra bei der Klassierung im Fein- und Feinstkornbereich der Erzaufbereitung. Eine interessante Alternative dazu sind Fein­siebe verschiedener Anbieter. Die Systeme unterscheiden sich in gravierender Weise von konventionellen Nass-Siebmaschinen. Erstaunlicherweise zeichnen sich diese Siebmaschinen im Feinkornbereich von 80 % < 75 μm durch höhere Trennschärfen als konventionelle Hydrozyklone aus. Dies wird vor allem durch große offene Siebweiten der verwendeten Polyurethan-Siebgewebe erreicht. Bei den derzeit kleinsten verfügbaren Siebmaschenweiten liegt die offene Fläche noch bei über 35 %, analog zu Drahtgeweben, die aber eine deutlich niedrigere Lebensdauer aufweisen.

5 Entwicklungen bei der Feinsiebtechnik

Für die Feinsiebtechnik in Korngrößenbereichen unterhalb von 100 μm in der Bergbauindustrie sind inzwischen zwei Siebmaschinen im Markt, die beide auf einer Hochfrequenzsiebtechnologie beruhen. Der Stack Sizer der Derrick Corporation wurde allein für die Feinkohleaufbereitung über 100 Mal verkauft. Bild 17 zeigt das Arbeitsprinzip eines Stack Sizers mit 5 Siebdecks. Die Suspension wird auf 5 Einzelaufgaben für jedes Siebdeck verteilt. Jedes der parallel beschickten Siebdecks ist mit Hochleistungs-Polyurethan-Siebbelägen bestückt. Das Sieb wird durch zwei Vibrationsmotoren in Linearschwingungen erregt. Die hochfrequente Linearschwingung erzeugt eine Beschleunigung für das Material auf dem Sieb, so dass die Trübe auf dem Siebbelag eine längere Verweilzeit erfährt. Das Fertiggut strömt mit der Suspension durch das Sieb (Siebunterlauf), während der Siebüberlauf in der Regel zu der Vermahlung zurückgeführt wird. Maximale Stack Sizer Durchsätze betragen 350 t/h Gutmenge.

Das Ultrafine Screen (UFS) (Bild 18) von Metso arbeitet ähnlich wie der Stack Sizer von Derrick. Das UFS ist mit bis zu 10 Siebdecks und einer Siebfläche von 15 m² erhältlich, wobei alle Siebdecks von derselben Vibrationseinheit erregt werden. Die Schwingungsamplituden liegen zwischen 0,6 und 2,5 mm. Für eine homogene Verteilung des Aufgabegutes wird ein innovativer Splitter verwendet, der 2 Decks gleichzeitig und homogen beaufschlagen kann. Die Siebmaschine ist gemäß Metso ähnlich kompakt wie eine Hydrozyklonanlage, erfordert aber höhere Investitionskosten. Im Vergleich zu dem Stack Sizer ist die Trennkorngröße bisher noch auf Siebe mit 75 μm Maschenweite begrenzt. Bei Derrick liegt die kleinste Maschenweite bei 400 mesh (38 μm).

Zahlreiche Anwendungen in der Erzaufbereitung (Bild 19) bestätigen die guten Ergebnisse der neuartigen Hochfrequenzsiebklassierer. Im Vergleich zu konventionellen Hydrozyklonen werden im Feinkornbereich mit verbesserten Trennschärfen niedrigere Umlaufmassenströme erzielt. Bild 20 zeigt die möglichen Einsparpotenziale mit dem Derrick Stack Sizer in der Erzaufbereitung der Sociedad Minera El Brocal in Peru [5]. In der Anlage werden täglich 18 000 t Zink-, Blei-, Kupfer- und Silbererze aus den Minen Tajo Norte und Marcapunta Norte aufbereitet. Der vorhandene Mahlkreislauf beinhaltet 3 Stabmühlen und 3 Kugelmühlen. In der alten Betriebsweise mit Hydrozyklonanlage wurden 138 t/h Feinerz für die Flotation erzeugt. Die Mahlleistung lag bei 621 t/h, was einer Umlaufmenge von 350 % entspricht.

In der neuen Betriebsweise (Bild 21) mit insgesamt drei 5-Deck Stack Sizern von Derrick wird eine Feinerzmenge von 245 t/h für die Flotation erzielt. Die Mahlleistung kombiniert aus allen Stab- und Rohrmühlen beträgt 392 t/h, was einer Umlaufmenge von 60 % entspricht. Die Übermahlung des Feinmaterials wurde reduziert, der Schlammanteil in der Flotation wurde von 18 % auf 10 % reduziert, was die Metallausbeute aus der Flotation erhöht hat. Weiterhin sehr interessant ist, dass eine Kugelmühle vom Netz genommen werden konnte und trotzdem eine um 9 % höhere Mahlleistung erzielt wurde. Die insgesamt erzielten Energieeinsparungen wurden leider nicht weiter beziffert, dürften aber beträchtlich sein. Daneben wurde die Kupferausbeute um beträchtliche 9 % gesteigert [5]. Weitere Ergebnisse sind in [6] zu finden.

6 Ausblick

Die aktuellen Entwicklungen zeigen ein relativ hohes Innovationspotential für Siebmaschinen, insbesondere wenn es um die Prozesseinbindung sowie um Vereinfachungen und Verbesserungen der Aufbereitungsprozesse der Bergbauindustrie gilt. Die reine Maschinentechnik mit Unterscheidungsmerkmalen wie Standardisierung, Verschleißeigenschaften, Maschinen­lebensdauer, Wartungsmöglichkeiten usw. ist damit nicht unwichtig geworden, hat aber nicht mehr die frühere Bedeutung in Kaufentscheidungen. Es ist zu erwarten, dass weitere neue Siebmaschinen mit neuen Attributen auf den Markt kommen und dass die Fein- und Feinstabsiebung noch stärker in den Blickpunkt gerät.